点式火焰检测器是响应火焰辐射光谱中的红外和紫外光的感光式探测器。根据工作原理可以分为点式紫外火焰检测器、点式红外火焰检测器、点式复合式红外紫外火焰检测器。目前使用较广泛、技术较先进的是点式红外火焰检测器。
火焰检测器的工作原理和特性
1、点式紫外火焰检测器
点式紫外火焰检测器是对明火中的紫外光辐射响应的火灾探测器，适用于大型仓库、飞机库、化工生产及储存场所、发电站等。其核心器件是紫外光敏管，紫外光敏管是一种基于外光电效应原理的光电管。
①外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。被激发出的电子称为光电子。外光电效应实际上就是当物体表面的电子吸收到某个光子的能量足以克服其自身的逸出功时，产生的光电子发射现象。电子能否被激发取决于入射光线的频率，频率越大，光子的能量就越大。这样，某一种单质就会对应一个能使自身激发出电子的最小光谱频率，即红限频率。
②紫外光敏管
现在，大部分紫外火焰检测器所使用的紫外光敏管，又叫盖革-米勒管，是由两个封装在充有低压惰性气体的玻璃管中的电极构成，一般选择钨作为阴极材料。当紫外辐射到达阴极后，会激发出光电子，光电子在两极电压的作用下向阳极移动，形成电流。由于惰性气体的作用，光电子在飞向阳极的途中和气体的原子发生碰撞而使气体电离，释放出更多的带电粒子，带电粒子继续与气体原子碰撞，从而达到了放大电流的目的，形成了雪崩放电。
在大气层内部，由于臭氧层的保护作用，太阳辐射中波长在280nm以下的电磁波几乎被完全吸收，而由于光敏管玻璃罩透光的限制，紫外光敏管阴极材料的光谱响应波长范围为185nm～260nm。这样，使用钨等金属材料作为阴极的紫外光敏管就可以达“日盲”的效果，很好地避免了紫外火焰检测器的误报。
③信号采集
紫外光敏管产生雪崩放电后，其内阻变小，电容器上的电压通过光敏管迅速放电。当电容器上的电压下降到不能够使被激发出的光电子移动到阳极时，光敏管放电停止，电容器继续充电。当电容器上的电压再次达到可以使光电子移动到阳极时，光敏管的内阻再次变小。这样，每重复一次，就会产生一个脉冲，脉冲的频率取决于紫外光照的强度和电路的电气参数。当电路不变，光照越强，频率越高。当测得的脉冲频率高于报警设定值时，探测器发出火灾报警信号。
点式紫外火焰检测器不受风雨、高湿度、气压变化等影响，能在室外使用。但是，一些受污染区域由于臭氧层稀薄，部分紫外辐射可以透过大气到达地表，这就给点式紫外火焰检测器在室外环境下的运行带来了不利影响，增加了其误报警的概率。对于在这样的区域以及雷电频发、有电弧光大量产生的场所使用时，必须采取一定措施以防止非火灾报警。一般在这种场所建议使用点式红外火焰检测器或点式复合式红外紫外火焰检测器。
2、点式红外火焰检测器
响应火焰产生的光辐射中波长大于700nm的红外辐射进行工作的探测器称为点式红外火焰检测器。点式红外火焰检测器按照红外热释电传感器数量不同可以分为点式单波段红外火焰检测器、点式双波段红外火焰检测器和点式多波段红外火焰检测器。
①红外热释电传感器
对于少数电介质，在外加电压的作用下产生的极化状态不会随外加电压的消失而消失，这种现象被称为自发极化。自发极化的强度与温度有关，它的强度伴随温度的上升而降低。当温度上升到某一特定值时，自发极化突然消失，这个温度称为居里点。当电介质受到红外辐射后，其内部温度升高，自发极化强度随之降低，这时它表面的电荷也随之释放，当温度达到居里点时，电荷全部释放，这种现象称为电介质的热释电效应。红外热释电传感器就是基于这种原理制成的。
传感器热释电元件是传感器的探测单元。电介质相当于一个等效电容，在外部电压对其极化后，相当于对其充电，在红外光的照射下，电介质温度升高，随之放电。这样，在等效电阻上会产生一个压降。通过测量监视电流便可得到一个控制信号。控制信号正比于红外光强度的变化，如果红外光强度持续不变，电介质温度不再升高，表面的电荷也达到新的极化稳定状态，这时相当于等效电容重新被充电饱和，不再进行放电，同时就没有信号输出。只有在电介质表面电荷达到平衡状态后，温度再次升高才能产生电荷释放，这样，在红外热释电传感器工作时，必须要有辐射强度不断变化的红外光照射才能产生持续的信号脉冲。一般采集的压降只有1mV左右，必须经过放大器将信号放大。
②点式单波段红外火焰检测器
常见的明火火焰辐射的红外光谱范围中，波长在4.1～4.7μm的辐射强度最大。这是因为烃类物质(天然气、酒精、汽油等)燃烧时产生大量受热的CO2气体，受热的CO2在位于4.35μm附近的红外辐射强度最大。而地表由于CO2和水蒸气的吸收作用，太阳光辐射的光谱中位于2.7μm和4.35μm处的红外光几乎完全不存在。所以，红外火焰检测器探测元件选取的探测波长可以选择在2.7μm或4.35μm附近，这样可以最大限度地接收火焰产生的红外辐射，提高探测效率，同时避免了阳光对探测器的影响。现在，大多红外火焰检测器选取的响应波段在4.35μm附近。在红外热释电传感器内部加装一个窄带滤光片，使其只能透过4.35μm附近的红外光，太阳辐射则不能通过。一般选取的滤光片的透光范围在4.3～4.5μm。
当红外辐射通过各种光学器件到达红外传感器之后，所产生的信号被送人放大电路中，若输出信号在一个确定的时间范围内多次超过报警阈值，则系统给出报警信号。
③点式双波段红外火焰检测器
通过分析烃类气体的火焰光谱可以发现，燃烧产物中炽热的CO2气体在4.3μm附近有一个独特的峰值辐射波段，双波段红外探测器一般都被设CO2计为对该峰值辐射产生响应，另外再选用位于这个峰值波段附近(3.8～4.1μm)的背景辐射作为其参考探测目标。探测器的信号处理电路主要从以下几个方面对上述两个波段接收到的辐射信号进行分析处理，从而将火焰和其他干扰源区别开来：信号的闪烁性，单一波段接收到的信号强度(阈值分析)，2个探测器所接收到的信号强度间的比值。
CO2两个因素制约了红外双波段火焰检测器的探测距离。一是空气中所含的CO2气体对于火焰在4.3μm波段发出的峰值辐射具有很强的吸收作用，于是辐射信号随探测距离的增加而发生剧烈衰减，当探测距离增加到一定程度时，由于接收到的火焰辐射信号达不到一定的阈值，火焰检测器将失去对火焰信号的响应能力。信号随探测距离的衰减也同样对2个波段接收到的辐射信号的比值产生影响。当峰值辐射波段的信号强度衰减到和背景辐射波段的信号强度相同时(即2个信号间的比值为1:1)，火焰检测器的逻辑分析电路也将失去对火焰信号的鉴别能力；二是目前开发的红外双波段火焰检测器中所使用的红外传感器(如热电堆、焦热电传感器、硒化铅等)都有一定程度的内部噪声，且都具有信噪比低的缺点。当探测距离增大时，由于辐射信号的衰减，传感器所接收到的火焰信号强度与传感器的内部噪声之间的差异将不是很明显，火焰信号有可能淹没在探测器的噪声之中而无法被检出，这时就必须引入更为复杂的逻辑分析电路才能达到识别火焰的目的。
图1 不同波段与辐射强度的关系
④点式多波段红外火焰检测器
点式多波段红外火焰检测器使用了3个具有极窄探测波段的红外传感器作为探测器件，3个传感器各自所覆盖的探测波段如图所示。从图中可以看出，除了和普通红外火焰检测器一样选择了CO2峰值辐射作为主要探测目标之外，3个波段红外火焰检测器还在CO2峰值辐射波段两侧各选择了一个用于鉴别高温红外辐射源和背景辐射的窄波段作为监视目标。由于任意一个红外辐射源在这3个波段都有自己独一无二的光谱特征，比较3个波段辐射强度之间的数学关系，就可将火焰和其他红外辐射源区别开来。另外，红外三波段火焰检测器很好地解决了探测信号随探测距离的增加而衰减的矛盾，即使3个波段的辐射信号因空气的吸收而发生衰减，其辐射强度之间的数学关系却并不随信号的衰减而发生变化，采用数字相关技术分析接收到的信号，就可以将因衰减而淹没在噪声中的火焰信息检出，从而较大地提高了探测器的探测距离和灵敏度，经测试发现红外三波段火焰检测器的有效探测距离比普通火焰检测器至少提高了4倍。因其探测原理的先进性，红外三波段火焰检测器对除连续性的、经过调制的或具有周期变化特性以外的其他非火焰红外辐射源(如照明光源、黑体和灰体辐射源等)都具有抗干扰能力，误报率非常低。
⑤点式复合式红外紫外火焰检测器
点式复合式红外紫外火焰检测器就是一个探测器上既具备紫外光敏管又具备红外热释电传感器，通过分析大量的试验数据，运用科学算法设计一个最佳抗误报的工作模式。在红外辐射成分与紫外辐射成分分别达到某一特定值时，探测器才发出火灾报警信号，这样在更大程度上防止了误报警。
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